목차

1. 배터리 열화, 왜 개발자에게 중요한가?

2. 배터리 열화의 주요 원인 5가지

3. 배터리 시험은 엘레멘트코리아에서

배터리는 시간이 지나면서 자연스럽게 성능이 저하되며, 이를 배터리의 열화(degradation)라고 부릅니다. 배터리 열화 원인을 제대로 이해하지 못하면 개발 단계에서부터 수명 단축, 불량률 증가, 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 이번 글에서는 배터리 개발자가 반드시 짚고 넘어가야 할 주요 열화 원인 5가지를 소개하고, 설계 및 평가 시 고려할 전략도 함께 확인해 보겠습니다.

1. 배터리 열화, 왜 개발자에게 중요한가?

출처: freepik

배터리 열화는 단순한 배터리 성능 저하를 넘어, 품질 신뢰도·제품 수명·보증 정책까지 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 특히 전기적 특성뿐 아니라 열 관리, 충방전 사이클, 사용 환경 등 다양한 요소와 복합적으로 얽혀 있어 단순한 문제로 치부할 수 없습니다. 신뢰성과 특성을 정확하게 분석해야 배터리 효율을 높일 수 있기 때문에, 설계 단계에서부터 열화 메커니즘을 이해하고 대응 전략을 수립해야 합니다. 개발자는 이를 간과할 경우 제품 출시 이후 예기치 않은 성능 저하나 리콜 사태로 이어질 수 있다는 점을 명심해야 합니다. 

다시 말해, 열화 데이터를 기반으로 예측 모델을 구축하고, 이를 반영한 제어 전략을 설계하는 것이 배터리의 안정성과 사용자 경험을 동시에 확보하는 핵심입니다.

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2. 배터리 열화의 주요 원인 5가지

1) 고온 환경 노출

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리튬이온배터리는 열에 매우 민감합니다. 리튬 배터리가 고온 환경에 장시간 노출되면 배터리 내부 화학 반응이 가속화되어 전해질 분해, SEI 층 파괴가 발생합니다. 이때 배터리 수명 단축뿐만 아니라 팽창, 화재 위험도가 증가합니다. 온도가 올라감에 따라 리튬 배터리는 셀의 압력을 증가시켜 가연성 가스 방출, 셀을 불에 태워 반응을 일으켜 배터리가 폭발적으로 타오르게 됩니다.

✅대책 : 열 관리 설계와 온도 센서 기반 BMS(배터리 관리 시스템)를 적용하여, 배터리 열화 현상을 예방할 수 있습니다.

2) 과충전 및 과방전

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전압 범위를 벗어난 충·방전은 양극재/음극재 손상을 유발합니다. 과충전, 과방전은 전기차 및 고출력 제품에서 자주 발생하는 열화 가속 요인입니다. 리튬이온배터리는 배터리 SOC(충전상태)를 적절하게 유지하는 것이 중요합니다. 배터리 SOC(충전상태) 0% 이하까지 차량을 운행하는 것은 심각한 과방전을 유발하는 직접적인 원인이 됩니다. 급가속, 급출발과 같은 급격한 에너지 요구는 배터리에 순간적인 스트레스를 주어 장기적으로 열화를 가속화시키는 요인이 될 수 있습니다. 배터리를 약 20~80% 범위 내에서 관리하며 사용하는 것이 배터리 수명 유지에 일반적으로 권장되는 방법입니다. 최적의 충전 범위는 배터리 종류 및 제조사의 권장 사항에 따라 달라질 수 있습니다.

✅대책 : 정밀 충∙방전 컷오프 회로 설계를 통하여 과충전 및 과방전을 방지할 수 있습니다.

3) 급속 충전

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급속 충전은 배터리를 빠르게 충전할 수 있지만, 장기간 사용할 경우 배터리 열화 현상을 가속화하게 됩니다. 배터리 급속 충전 시 전극 내 리튬 석출, 내부 저항이 증가하여 전압 강하 및 발열이 증가합니다. 온도가 상승하게 되면 배터리 성능 저하 반응이 나타날 수 있습니다. 특히 저온 상태에서 급속 충전을 할 경우 배터리 열화는 더욱 가속됩니다. 소비자 니즈와 기술 안정성 사이 균형이 필요합니다.

✅대책 : 충전 전류 최적화, 고속 충전 전용 셀 구조 설계를 통해 방지할 수 있습니다.

4) 반복 사이클

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배터리 충∙방전 행동이 반복되면 활성 물질의 구조 붕괴와 전극 탈리 현상이 발생합니다. 전극 탈리란 반복적인 충방전, 기계적 스트레스, 화학 반응 등에 의해 전극의 활물질이 집전체와 분리되며 접착력이 저하되는 현상을 의미합니다. 이로 인해 전극의 전기적 접속이 불안정해지고, 배터리 성능과 수명에 악영향을 줄 수 있습니다.

이와 관련해서는 배터리 수명 예측을 통해 배터리 교체 주기를 최적화하고, 배터리 효율성을 높일 수 있습니다. 대표적인 배터리 테스트는 사이클 테스트로, 배터리를 반복적으로 충∙방전하는 과정을 통해 실제 사용 환경을 모사합니다. 이러한 배터리 테스트 과정에서는 배터리의 용량 감소 및 전압 변화를 관찰할 수 있습니다. 사이클 수명 예측은 고객 요구 스펙 중 핵심입니다.

✅대책 : 내구성 강화 소재를 사용하고, 셀 구조를 안정화하여 열화 현상을 방지할 수 있습니다.

5) 기계적 스트레스 및 팽창

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외부 진동, 충격, 팩 구조 응력 등으로 셀 내 손상으로 이어져 배터리 성능 저하에 기여할 수 있습니다. 또한 배터리 제조 과정에서의 결함에 의해 배터리 팽창 현상이 발생할 수도 있습니다. 팽창은 열화뿐 아니라 구조적 위험으로 직결되기도 합니다. 팽창된 배터리는 내부 압력이 높아져 있는 상태이기 때문에 작은 충격과 열에 의해 폭발할 위험도 있습니다.

✅대책 : 모듈·팩 설계 시 진동·완충 고려, 외부 케이스 구조 보강하는 방법이 있습니다.

❓자주 묻는 질문(FAQ)

Q1. 배터리 열화는 완전히 방지할 수 없나요?

A. 열화는 화학 반응 기반의 자연 현상이기 때문에 완전히 막을 수는 없습니다. 다만 소재 선택, 충∙방전 조건 설정, 열 관리 설계 등을 통해 속도를 늦추고 수명을 연장할 수 있습니다.

Q2. 배터리 팩 설계 시 열화 요인을 줄이려면 어떤 점을 고려해야 하나요?

A. 팩 구조 설계 시에는 셀 간 균일한 열 분산, 진동/충격 완화, 과충·과방전 보호 회로 등 물리적·전기적 스트레스를 최소화하는 방향으로 설계해야 합니다.

Q3. 배터리 셀 타입(각형, 원통형, 파우치형)에 따라 열화 양상이 다를까요?

A. 네, 셀 구조에 따라 열 분산 방식과 기계적 안정성이 달라지기 때문에 열화 특성도 차이가 납니다. 예를 들어, 파우치형은 팽창에 민감하고, 각형은 구조적 강도가 높지만 열 집중에 취약할 수 있습니다.

4. 배터리 시험은 엘레멘트코리아에서

배터리 열화는 피할 수 없지만, 원인을 명확히 이해하고 사전에 대응하는 것이 고신뢰 제품 개발의 핵심입니다. 배터리 수명을 늘리기 위해서는 고온, 과충전, 사이클 반복 등 주요 열화 요인에 대한 예측 가능한 설계 전략을 수립해야 합니다. 열화 원인 분석은 곧 제품 수명 보증, 고객 신뢰 확보, 기업 경쟁력 강화와 직결됩니다.

특히 전기차 시장의 발전과 함께 배터리 성능과 안전성은 더욱 강조되고 있으며, 배터리 테스트를 통해 이러한 안전성을 확보할 수 있습니다.

엘레멘트코리아는 배터리 신뢰성 시험과 원인 분석을 통해 개발자의 고민을 함께 해결합니다. 최첨단 시설과 전문 인력을 바탕으로 배터리 테스트를 진행하고 있으며, 배터리의 성능, 안전성, 내구성을 종합적으로 평가합니다. 배터리 열화 시험에 대해 고민하고 있다면, 엘레멘트코리아에 문의하세요.